李星辰

摘 要：本文在現(xiàn)有剪切增稠流體智能制動(dòng)緩降器概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料特性和受力平衡推導(dǎo)了傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)子高度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的表達(dá)式，并從4種剪切增稠流體材料中進(jìn)行優(yōu)選和計(jì)算相應(yīng)的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)子高度，為設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：剪切增稠；緩降器；參數(shù)化設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)子高度；材料優(yōu)選

中圖分類(lèi)號(hào)：TU976 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

高層建筑逃生通道比較狹長(zhǎng)、人員密集，火災(zāi)發(fā)生時(shí)有些人選擇通過(guò)被單、網(wǎng)線等簡(jiǎn)易繩索逃生，甚至有些人鋌而走險(xiǎn)選擇跳樓逃生。針對(duì)高樓逃生現(xiàn)狀，各種高樓逃生裝置應(yīng)運(yùn)而生，包括繩索緩降器、軟梯、救生氣墊、升降臺(tái)等。其中，繩索緩降器具有體積小、經(jīng)濟(jì)適用、可反復(fù)使用、安裝方便、無(wú)需動(dòng)力源和安全性較高等特點(diǎn)，適用于作為家庭高樓逃生裝置。適于作為家庭高樓逃生裝置，但是存在發(fā)熱、磨損、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，有必要研究新型的繩索緩降器。

新型繩索緩降器主要包括永磁渦流制動(dòng)緩降器、空氣阻尼制動(dòng)緩降器和剪切增稠流體制動(dòng)緩降器。其中，永磁渦流制動(dòng)緩降器將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，但是對(duì)散熱有較高要求?？諝庾枘嶂苿?dòng)緩降器具有無(wú)源、無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)，但是制動(dòng)效果較差。而現(xiàn)有的剪切增稠流體制動(dòng)緩降器可以智能地將下降速度控制在安全范圍內(nèi)，但是相關(guān)研究還非常少，現(xiàn)有設(shè)計(jì)僅給出了一個(gè)設(shè)計(jì)算例，沒(méi)有給出傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式，不利于后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算，此外在剪切增稠流體材料優(yōu)選等方面還存在很大的改進(jìn)空間。

綜上所述，本研究擬在現(xiàn)有的剪切增稠流體制動(dòng)緩降器概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式，優(yōu)選剪切增稠流體材料，提高整個(gè)裝置的實(shí)用性。

1 設(shè)計(jì)目的

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定本設(shè)計(jì)中取緩降速度v降可穩(wěn)定為0.5m/s，又參考相關(guān)文獻(xiàn)確定承重為100kg、最大逃生樓層為10層。

2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)

參考圖1，現(xiàn)有的基于剪切增稠流體的高樓逃生緩降器裝置主要由捆綁機(jī)構(gòu)、繞繩機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和緩降機(jī)構(gòu)等組成。剪切增稠流體通過(guò)與轉(zhuǎn)子間的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度的自動(dòng)控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)慢時(shí)，剪切增稠流體的黏度較低，對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力變小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升；而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，剪切增稠流體的黏度較高，對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力變大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。所以可以智能地將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及逃生者下降速度維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)的剪切增稠流體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的二氧化硅液體，剪切速率—黏度曲線見(jiàn)文獻(xiàn)[4]的圖3，該流體在較高剪切速率下才表現(xiàn)為剪切增稠特性，在剪切速率較低的較大區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為剪切稀化特性，且黏度很大，甚至大于剪切增稠區(qū)間的黏度，重力可能無(wú)法克服低速下的流體阻力。

3 現(xiàn)有設(shè)計(jì)傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)子高度的參數(shù)化表達(dá)式

設(shè)繞繩滾子的平均繞繩直徑為d0，人的穩(wěn)定下降速度為v降，繞繩滾子旋轉(zhuǎn)角速度ω1可以表示為：

式（3）是參數(shù)化計(jì)算后的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)傳動(dòng)比i的表達(dá)式，而式（7）就是參數(shù)化計(jì)算后轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)L的表達(dá)式。取人的重力G為1000N、人的穩(wěn)定下降速度v降為0.5m/s、轉(zhuǎn)子直徑d為0.3 m、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的二氧化硅剪切增稠液體在剪切增稠區(qū)間中點(diǎn)的剪切速率υ和黏度η分別為5000s-1和0.5Pa?s、取殼體內(nèi)徑D為0.304m計(jì)算出轉(zhuǎn)子與殼體之間的間隙h為0.002m。綜上計(jì)算出傳動(dòng)比i=1∶20，而轉(zhuǎn)子高度L為0.021m。取傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中兩對(duì)齒輪的齒數(shù)分別為40∶8和32∶8，可以滿(mǎn)足傳動(dòng)比要求。根據(jù)參數(shù)化表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]算例的計(jì)算結(jié)果一致，但是，本文的參數(shù)化工作有利于定量分析各設(shè)計(jì)參數(shù)的影響以及進(jìn)行參數(shù)化討論和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 剪切增稠流體材料的優(yōu)選

為了避免材料的剪切稀化區(qū)間過(guò)大以及低剪切速率下黏度過(guò)大，因此希望選擇低剪切速率下沒(méi)有剪切稀化特性或特性不明顯，且剪切稀化區(qū)間較小的材料。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，擬從下面文獻(xiàn)[5-8]中進(jìn)行剪切增稠流體材料的優(yōu)選，其中文獻(xiàn)[8]中選擇兩種備選材料（體積分?jǐn)?shù)分別為54%和56%）。以傳動(dòng)比i、轉(zhuǎn)子高度L為優(yōu)選條件，對(duì)比5種備選材料和現(xiàn)有設(shè)計(jì)材料，進(jìn)行列表對(duì)比，見(jiàn)表1。

首先對(duì)比傳動(dòng)比，文獻(xiàn)[6]的材料和文獻(xiàn)[8]的兩種材料傳動(dòng)比均在4以下，單級(jí)齒輪傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)有設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為0.05，即1∶20，傳動(dòng)比較大，需要兩級(jí)齒輪傳動(dòng)。再對(duì)比轉(zhuǎn)子高度，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子高度最小，僅為0.021m，而文獻(xiàn)[8]的兩種材料轉(zhuǎn)子高度也較小，分別為0.22m和0.09m。綜上所述，備選材料中，文獻(xiàn)[8]的兩種材料較優(yōu)，且低剪切速率下沒(méi)有剪切稀化特性。

結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的剪切增稠流體制動(dòng)緩降器研究的不足開(kāi)展研究，主要結(jié)論如下：

（1）推導(dǎo)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)子高度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的公式。

（2）對(duì)剪切增稠流體材料優(yōu)選為文獻(xiàn)[8]的兩種材料，即顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為56%和54%的兩種流體。

本文設(shè)計(jì)結(jié)果可應(yīng)用于智能緩降器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)。下一步將針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)一步完善。

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